Способ ведения доменной плавки Советский патент 1993 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, конкретно к повышению устойчивости хода за счет гибкого регулирования физико- химических свойств шлака, зон вязко-пластичного состояния и плавления и может быть использовано в системе автоматического регулирования хода печи.

Известны способы ведения доменной плавки, в которых по заданной основности шлака определяют расходы шлакообразую- щих компонентов шихты.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ ведения доменной плавки, включающий изменение химического состава и расходов шлакообразующих компонентов шихты, железорудных материалов, кокса и флюса, отличающийся тем, что с целью повышения производительности и экономичности плавки за счет стабилизации металлургических свойств шлака, при количестве шлакообразующих компонентов свыше четырех расходы и химический состав шлакообразующих компонентов изменяют, поддерживая постоянными химический Ае и стехиометри- ческий р параметры шихты в пределах 1,93 - 1,98 и 0,68 - 0,70 соответственно,°при этом численные значения химического Ае и сте- хиометрического р параметров находят путем решения уравнений, включающих табулированные значения ионных радиусов, зарядов и атомных долей химических элементов шлакообразующих.

Недостатком известного способа является отождествление структуры реального шлакового расплава в доменной печи с равновесной и устойчивой кристаллохимиче- ской системой, что не позволяет определять кинетические характеристики (вязкость, поверхностное натяжение и др.) в зависимости от переменных термических состояний пластичного материала и от электродвижущих сил в реальном расплаве.

Трактовка понятия основность шлакового расплава (СаО: SiOa); (CaO + MgO): Si02

кагс)|

О

и (СаО + MgO): (Si02 + А120з), как отношения механических смесей основных и кислых окислов, также не позволяют оценить причины и количественные меры изменения текучести шлака и зоны вязко-пластичного состояния при замещении в нем одного компонента другим при сохранении основности. При этом понятие нейтральной,,кислой или основной шлаковой среды до настоящего времени не имеют количественного определения.

Целью изобретенйя яёляется повышение устойчивости хоДсГи производительности доменной печи, ТГок ращение расхода кокса за счет определения положения и стабилизации зоны вязко-пластичного состоя- ния путем гибкого регулирования физико-химических свойств шлака,

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу ведения доменной плавки, включающему изменение химического состава и расходов шлакообразующих компонентов шихты, железорудных материалов, флюсов, кокса и других добавок, расходы компонентов и их состав изменяют, поддерживая постоянным физико-химический параметр «в пределах 0,85-1,05.

Физико-химический параметр шлакового расплава с оценивает как отношение сумм сил притяжения по одной валентной связи анионов и катионов, обладающих основными свойствами, к сумме сил притяжения анионов м катионов, обладающих кислотными свойствами.

По известному составу шлакообразую- щих с помощью этого параметра можно рассчитать вязкость реальных конечных и промежуточных шлаков при различной температуре, а значит оценить и регулировать протяженность зоны вязко-пластичного состояния.

Равенство сил взаимодействия (сЫ) показывает, что .шлаковый расплав обладает нейтральными свойствами, при «меньше единицы - кислыми, а при «больше единицы - основными свойствами..

Использование отношения электродвижущих сил. в одном параметре о. позволяет учесть физико-химические особенности всех окислов, сульфидов и других соединений шлаковой системы во взаимодействии, исключает необходимость рассмотрения различных вариантов основности. При этом

снимаются ограничения на область практического применения параметра а , присущие для известных показателей.

Известен метод определения сил притяжения кислорода, однако он предполагает вести расчет с использованием всех валентных связей, что пригодно только при расчете изолированной двухкомпонентной системы, например СаО или SiOa и т.д.

Для шлаков металлургического передела характерна ионная структура. В шлаковых расплавах положительные ионы металлов (катионы) связаны с отрицательными - кислородом, серой и др. (анионы).

Шлаковые расплавы состоят из смеси указанных компонентов или их комплексных соединений. Различные катионы в шлаковом расплаве связаны между собой через анионы электронами, находящимися на

внешних орбитах (оболочках), т.е. валентными связями и образуют между собой различ- ные комбинации. При этом катионы имеющие меньший ионный радиус обладают большей силой притяжения, поэтому через анионы они притягивают к себе те катионы, у которых радиус больше и обладающих меньшей силой притяжения. Добавление каких-либо других катионов приведет к нарушению сбалансированных сил взаимодействия. Например, в двухкомпонентной системе СаО - ЗЮ2 один и тот же анион кислорода будет связан одновременно с катионом кальция и кремния.

Катиону кремния легче удержать у себя,

через кислородную связь, катион обладающий меньшей силой взаимодействия с анионом кислорода. Разрыв связей Si - О - Si будет происходить по мере вытеснения Si другими кэтионами, обладающими меньшей силой взаимодействия и по мере увеличения концентрации последних. Отсюда следует, что прочность, например, указанной системы в целом, либо силу взаимодействия между отдельными катионами через

анионы можно оценивать по одной валентной связи..

С этой точки зрения целесообразно ввести физико-химический параметр шлакового расплава а . Выражение для расчета

указанного параметра, с учетом процентного содержания каждого компонента имеет вид

Сущность изобретения: регулирование свойств шлака ведут путем поддержания постоянным физико-химического параметра «шлакового расплава в пределах 0,85-1,05, Численное значение физико-химического параметра а находится как отношение сумм сил взаимодействия соответствующих анионов и катионов, обладающих основными свойствами, к сумме аналогичных показателей компонентов, обладающих кислотными свойствами, 2 табл., 1 ил.

а

%СаО. Ат.са . е2 + % MgO . Ат.м9. е2

100 Мол.СаО (гСа24+Г02-)2 ТОО МоЛ.МдО(г Мд2+ + Г р

-, -. - 9 л/ A i лч л .5

% Sj02 AT.SI

100

МОЛ.5Ю2 (Гд,4+ + Г02-)2

+

% А1203 , AT.AI .е2

100

Мол.А|2Оз (гА,з+ + г02-)

+ .

л .5

, AT.AI .е2

Мол.А|2Оз (гА,з+ + г02-)2

+

где а - физико-химический параметр шлакового расплава, доля единиц;

% CaO, %Si02 и т.д. - процентное содержание компонента расплава, обладающих соответственно основными и кислотными свойствами, %;

Атса ATSI - атомный вес основного и кислотного катиона (5);

Молсао; Молзю2 молекулярный вес соответствующей молекулы основного и кислого катиона;

ГСа

2 +

r si4 ионный радиус основного и кислого катиона, нм (4);

е - элементарный заряд, величина которого составляет 1,6021892 кл. (5).

Для оценки влияния взаимодействия аниона серы, фтора и др. с катионами необходимо в выражении (1) вместо ионного радиуса кислорода подставить ионный радиус принятого аниона.

. В выражении (1) для конкретных компонентов расплава, кроме массовых их долей, все величины - постоянные, следовательно их можно заменить обобщенной соответствующей постоянной величиной. Выражение (1) в этом случае примет вид:

а

$,

1 1

Mi Kj Fi

(2)

Mj KJ FI

где or -физико-химический параметр;

Mi и MJ - массовое содержание шлако- образующего компонента обладающего, соответственно, основными (i) и 0) кислотными свойствами;.

Ki и Kj - коэффициент пересчета массового содержания шлакообразующего компонента на массовую долю соответствующего ему катиона;

FI и FJ - кулоновская сила притяжения i-ro и J-ro катиона и аниона по одной валентной связи;

пит- число шлакообразующих компонентов обладающих, соответственно, основными и кислотными свойствами.

Для удобства пользования в практике, рассчитаны коэффициенты характеризующие свойства некоторых катионов для отдельных окислов шлакового расплава (табл.1).

Физико-химический параметр шлакового расплава а позволяет рассчитать по известному составу шлакообразующих вязкость реальных конечных и промежуточных шлаков при различной температуре, а значит оценить и регулировать протяженность зоны вязко-пластичного состояния.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Известно, что при высокой температуре (1500°С) вязкость практически всех шлаков низкая, они хорошо подвижны (с величиной вязкости менее 0,6 Нс/м ). Вязкость 0,8 - 2,5 Нс/м2 характеризует зону ползучего течения (6) или условно ее можно считать зоной вязко-пластичного состояния. Протяженность зоны вязко-пластичного состояния будет тем больше, чем выше вязкость при минимальной температуре. Тяжелее при этом будут и газодинамические условия плавки.

Очевидно, что газодинамический режим плавки и качество чугуна можно значительно улучшить путем изменения физико-химического параметра а шлакового расплава.

Расчеты вязкости шлака выполняются по формуле

и ,кт

TJ (а с + b а + с) е

(3)

где rj- вязкость, Нс/м

а,Ь,с - постоянные коэффициенты;

е - основание натурального логарифма;

К- постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура, °К;

и - энергия активации вязкого течения;

а - физико-химический параметр шлакового расплава.

На чертеже представлена расчетная зависимость (3) вязкости шлака от физико-химического параметра.

Из зависимости следует, что минимальная вязкость шлаков при различных температурах достигается при а 1,00. т.е. когда силы взаимодействия основных и кислотных составляющих уравниваются. При этом . основность шлака по CaO/Si02 равна 1,127, а отношение А120з/МдО, будет составлять 0,980. В этом случае протяженность зоны вязко-пластичного состояния будет минимальной, а вязкость шлака при температуре 1400°С не превышает 0,6 Нс/м2 (сечение А). Видно, что разница вязкости шлака при температуре 1350 и 1550°С составляет 0,8 - 0,2 0,6 Нс/м . В сечении В эта разница составит 1.38 - 0,28 1,10 Нс/м2, а в сечении С свыше 2,3 Нс/м2. Это значит, что самой тяжелой в газодинамическом отношении является зона в сечении С. Наиболее благоприятная газодинамика достигается в сечении А. Следовательно, изменением состава и расхода шлакообразующих необходимо стремиться к тому, чтобы показатель «максимально приближался к 1,00.

Известно (7), что устойчивые по температуре плавления и вязкости шлаки можно получить путем увеличения содержания в них магнезии и изменении основности (CaO/Si02).

В этом случае снижение основности и увеличение содержания магнезии в основных шлаках (а 1,00) приведет к повышению их устойчивости, а повышение температуры начала плавления к сокращению протяженности зоны вязко-пластичного состояния. К аналогичным результатам приведет повышение основности и содержания магнезии в кислых шлаках (« 1,0).

Магнезиальные шлаки лучше аккумулируют тепло в высокотемпературных зонах и приносят его в горн, способствуя перегреву чугуна и шлака, что значительно понижает вязкость последнего. Следовательно появляется возможность снижать содержание кремния в чугуне за счет увеличения рудной нагрузки Без ухудшения его качества по содержанию серы. Сокращение протяженности зоны вязко-пластичного состояния улучшает газодинамику, что позволяет увеличить расход дутья, а мерами воздействия сверху повысить степень использования газа, а значит, и технико-экономические показатели плавки.

В связи с существующей колеблемостью химсостава железорудного сырья физико-химический параметр (а) должен изменяться в пределах 0,85-1,05, Нижний предел физико-химического параметра 0,85 относится к шлакам с высоким содержанием глинозема (до 16%), а верхний - с меньшим (до 10%). При увеличении «свыше 1,05 резко увеличивается зона вязко-пластичного состояния. Снижение ниже 0,85 не желательно, так как несмотря на сравнительно незначительный рост зоны вязко-пластичного состояния заметно ухудшается качество чугуна по содержанию серы даже при малом поступлении ее с коксом.

, Предлагаемый.способ можно использовать в расчете соотношения компонентов шихты и в комплексном регулировании физико-химических свойств шлака, газораспределения и теплового состояния.

В качестве примера реализации предлагаемого способа на доменной печи объемом 5500 м3 в табл.2 приведены результаты корректировки шихты, программы загрузки и расхода дутья.

Предложенный режим отличался от исходного уменьшением параметра а в сторо- ну (от 1,1 к 1,0) более устойчивых (нейтральных) шлаков (чертеж). На чертеже показано изменение вязкости шлака в зависимости от показателя «(физико-химического параметра - а) при различных температурах, Температура, °С: 1-1550; 2- 1500; 3-1450; 4-1400; 5-1350. -область вязко-пластичных состояний шлака (,б

Ис/м ); ll-область жидкоподвижных состояний шлака (rj 0.6 Нс/м2).

Появляющийся резерв по вязкости (текучести) использовался с целью снижения теплового резерва путем увеличения общей рудной нагрузки на 0,2 т/т с параллельным уменьшением площади осевой отдушины печи. Эти корректировки обусловили необходимость и возможность увеличения рас- хода дутья на 100 м3/мин (табл.2).

В результате сравнения средних данных базового и достигнутого по предлагаемому способу режима плавки:

1) производительность доменной печи увеличилась с 10400 т/сут до 10600 т/сут;

2) удельный расход кокса сократился с 449 до 444 кг/т чугуна;

3) степень прямого восстановления (по М.А.Павлову) снизилась с 36 до 35%.

Формула изобретения

«

1

Mi Ki Fi

М| К Fi

где n, m - число шлакообразующих компонентов, обладающих соответственно основными и кислотными свойствами;

а - физико-химический параметр шлака;

Мк Mj - массовое содержание основных I и кислых j оксидов в шлаке;

KI, Kj - коэффициент пересчета массового содержания шлакообразующего компонента в массовую долю соответствующего ему катиона;

FI, FJ - кулоновская сила притяжения 1-го, j-ro катионов по одной валентной связи.

вязкость шлака поддерживают в пределах 0,1-0,6 Н с/м2, исходя из формулы

и

/ (а о2 +ь а + с) ект , где ц - вязкость, Н с/м ;

а,Ь,с - постоянные коэффициенты;

Коэффициенты, характеризующие свойства некоторых катионов, входящих

в состав шлака

Обозначения указаны в описании

К-постоянная Больцмана:

Т - абсолютная температура, К;

и - энергия активации вязкости течения;

а- физико-химический параметр шлакового расплава.

Таблица 1

Таблица 2